Press Releases

These diverse affiliations already indicate the strongly interdisciplinary research at the new Chair, which closely links the disciplines of physics, biology and engineering. “The Cluster of Excellence Physics of Life provides an ideal, collaborative environment for our interdisciplinary research that is unique in Europe. We benefit from working closely with engineers at cfaed to apply methods from engineering, such as information theory, to biological systems. Conversely, nature’s algorithms can prompt new, bio-inspired engineering solutions, for example, to synchronize clocks in electronic circuits,” explains Benjamin Friedrich.

How do biological cells and tissues process information? And how do they organize themselves into functional structures during embryonic development and regeneration? These questions can no longer be answered in the lab alone; theoretical biophysicists, such as those in Benjamin Friedrich’s research group, are also needed to develop mathematical models of these complex biological systems. Ideally, fundamental mechanisms, i.e. biological algorithms, can be uncovered and sometimes lead to unexpected, innovative experiments.

One of these research topics are biological clocks. On the surface of our respiratory tract, so-called cilia beat with a common rhythm to expel dirt or viruses. These cilia can beat even when removed from their cell, provided that chemical energy is supplied: each cilium is thus a biological clock. To understand how thousands of these cilia synchronize without a “conductor”, the researchers, led by Prof. Friedrich, use methods from nonlinear dynamics, statistical physics and hydrodynamic simulations.

Another topic being researched at the Chair involves the navigation of cells, such as germ cells. Sperm swim to the egg, driven by the continuous beat of their flagella. But how do they home in on their destination? Chemical cues released by the egg guide them. On their journey, the individual sperm must continuously process chemical signals and make directional decisions, despite numerous interfering influences. Here, methods from information theory, such as those being studied at cfaed, help to understand the sophisticated mechanisms behind the sperm’s navigation process.

“Research on biological systems is first and foremost fundamental research. At the same time, the mathematical description of biological model systems, such as swimming sperm cells, bears relevance for reproductive biology; other topics researched in the group such as recently the architecture of liver tissue or how salamanders can regrow lost limbs, may one day help medicine to develop new therapies,” adds Prof. Friedrich.
You can get to know the research group at the Dresden Long Night of Science (#LNdWDD) on July 9, 2021. For topical reasons, this year we will show how the spread of a virus can be modelled mathematically.

Why the trained mathematician became hooked by biophysics and is now fascinated by diatoms and molecular motors is revealed in this short interview with him.

Visit the group's site

Link to the Long Night of Science (LNdWDD) activities at cfaed

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Press photo: Michael Kretzschmar
Picture description: Prof. Ursula M. Staudinger, Rector of TU Dresden, hands over the certificate of appointment to Prof. Benjamin Friedrich, May 30, 2021.

About PoL - Cluster of Excellence Physics of Life
The Cluster of Excellence Physics of Life (PoL) at TU Dresden focuses on the laws of physics that underlie the organization of life into molecules, cells and tissues. At the cluster, physicists, biologists and computer scientists join forces to investigate how active matter organizes itself into predetermined structures in cells and tissues, thus giving rise to life. PoL is funded by the DFG as part of the Excellence Strategy. It is a collaboration between scientists from TU Dresden and research institutions of the DRESDEN-concept network, such as the Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG), the Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS), the Leibniz Institute of Polymer Research (IPF) and the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
www.physics-of-life.tu-dresden.de

About cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden
The cfaed is a research cluster at Technische Universität Dresden (TUD). As an interdisciplinary research center for perspectives in electronics, it is located at TUD as a Central Academic Unit and integrates members from extramural research institutions in Saxony and Saxon-Anhalt as well as TU Chemnitz. The Cluster is dedicated to the fundamentals of sustainable information technologies that would not be possible with the continuation of today’s silicon-based components. To achieve its goals, the cfaed combines a thirst for knowledge in the natural sciences with the innovative power of the engineering sciences.
www.cfaed.tu-dresden.de

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Further information:

Prof. Benjamin M. Friedrich
Tel.: +49 351 463-42341
Email: benjamin.m.friedrich@tu-dresden.de

Bianka Claus
DFG Cluster of Excellence Physics of Life (PoL), TU Dresden
Public relations
Tel.: +49 351 463-40133
Email: bianka.claus@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden
Science Communication
Tel.: +49 351 463-42847
Email: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

[Deutsche Version]

Von biologischen Uhren bis zur Bewegung von Spermien: Benjamin Friedrich auf neue Heisenberg-Professur für Biologische Algorithmen berufen

Professor Benjamin Friedrich hat zum 01. Juni 2021 die Heisenberg-Professur für Biologische Algorithmen am Exzellenzcluster Physik des Lebens angetreten. Prof. Friedrich hatte die gleichnamige Forschungsgruppe bereits seit April 2016 am Forschungscluster cfaed (Center for Advancing Electronics Dresden) geleitet.

Während einer pandemiegerecht-kleinen, feierlichen Zeremonie übergab die Rektorin der TU Dresden, Prof. Dr. Ursula M. Staudinger, am 30. Mai 2021 Herrn Friedrich seine Berufungsurkunde. Mit diesem Akt war der offizielle Startschuss für die Professur im Spannungsfeld von Physik, Ingenieurwissenschaften und Biologie gefallen. Die Tenure-Track-Professur „Biological Algorithms“ ist am Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) der TU Dresden angesiedelt und mit dem Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) und dem Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) assoziiert. Darüber hinaus lehrt Prof. Friedrich an der Fakultät für Physik.

Diese vielfältigen Anbindungen weisen bereits auf die stark interdisziplinäre Forschung an der neuen Professur hin, welche die Disziplinen Physik, Biologie und Ingenieurwissenschaften eng miteinander verknüpft. „Der Exzellenz-Cluster Physics of Life bietet ein ideales, kollaboratives und in Europa einzigartiges Umfeld für unsere interdisziplinäre Forschung. Wir profitieren von der Nähe zu den Ingenieuren am cfaed, um Methoden aus den Ingenieurswissenschaften, wie die Informationstheorie, auf biologische Systeme anwenden zu können. Umgekehrt können die Algorithmen der Natur zu neuen, bio-inspirierten Ingenieurslösungen anregen, zum Beispiel zur Synchronisation von Taktgebern in elektronischen Schaltkreisen.“ erklärt Benjamin Friedrich.

Wie verarbeiten biologische Zellen und Gewebe Informationen? Und wie organisieren sie sich während der Embryonalentwicklung und Regeneration zu funktionalen Strukturen? Diese Fragen können nicht mehr allein im Labor beantwortet werden, es braucht zusätzlich theoretische Biophysiker:innen wie die Forschergruppe um Benjamin Friedrich, die mathematische Modelle von diesen komplexen biologischen Systemen entwickeln. Dabei können im Idealfall grundlegende Mechanismen, eben biologische Algorithmen, aufgedeckt und mitunter unerwartete, neue Experimente vorgeschlagen werden.

Eins der Forschungsthemen sind zum Beispiel biologische Uhren. So finden sich auf der Oberfläche unserer Atemwege sogenannte Flimmerhärchen, die im Gleichtakt schlagen und so Schmutzpartikel oder Viren hinausbefördern. Ein Flimmerhärchen kann sogar dann noch schlagen, wenn es von seiner Zelle entfernt wird, vorausgesetzt chemische Energie wird zugeführt. Jedes Härchen ist also eine biologische Uhr. Um zu verstehen, wie Tausende dieser Flimmerhärchen sich ohne einen ‚Dirigenten‘ synchronisieren, verwenden die Forscherinnen und Forscher um Prof. Friedrich Methoden aus der Nichtlinearen Dynamik, Statistischen Physik sowie hydrodynamische Simulationen.

Ein weiteres Thema, zu dem an der Professur geforscht wird, umfasst die Navigation von Zellen, wie zum Beispiel von Keimzellen. Spermien schwimmen zur Eizelle, angetrieben durch den regelmäßigen Schlag ihrer Geißel. Doch wie finden sie ihr Ziel? Chemische Botenstoffe, die vom Ei abgegeben werden, weisen den Weg. Dabei muss ein Spermium kontinuierlich chemische Signale verarbeiten und Richtungsentscheidungen treffen, obwohl zahlreiche Störeinflüsse die Navigation beinträchtigen. Hier helfen Methoden aus der Informationstheorie, wie sie auch am cfaed untersucht werden, um die ausgeklügelten Mechanismen hinter dieser Ortungsleistung zu verstehen.

„Die Forschung an biologischen Systemen ist zunächst Grundlagenforschung. Gleichzeitig kann die mathematische Beschreibung von biologischen Modellsystemen, wie zum Beispiel der Flimmerhärchen, der Fortpflanzungsbiologie, aber auch der Architektur von Lebergewebe oder das Untersuchen der Frage, wie Salamander verlorene Gliedmaßen einfach nachwachsen lassen können, die wir ebenfalls in der Arbeitsgruppe modellieren, eines Tages die Medizin unterstützen, neue Therapien zu entwickeln.“ ergänzt Prof. Friedrich.

Live zu erleben ist die Forschungsgruppe das nächste Mal zur Dresdner Langen Nacht der Wissenschaften (#LNdWDD) am 9. Juli 2021. Aus aktuellem Anlass geht es dieses Mal darum, wie sich die Ausbreitung eines Virus mathematisch modellieren lässt.

Warum den ausgebildeten Mathematiker die Biophysik fasziniert und was das mit Kieselalgen und molekularen Motoren zu tun hat, verrät dieses kleine Interview mit ihm.

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Die Seite der Forschungsgruppe besuchen.

Link zum Angebot des cfaed bei der LNdWDD.

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Pressefoto: Michael Kretzschmar
Bildunterschrift: Übergabe der Berufungsurkunde an Prof. Benjamin Friedrich durch die Rektorin der TU Dresden, Prof. Ursula M. Staudinger, 30.05.2021.

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Über PoL – Exzellenzcluster Physics of Life
Das Exzellenzcluster Physik des Lebens (Physics of Life - PoL) der TU Dresden konzentriert sich auf die Gesetze der Physik, die der Organisation des Lebens in Molekülen, Zellen und Geweben zugrunde liegen. Am Cluster erforschen Physiker, Biologen und Informatiker gemeinsam, wie sich aktive Materie in vorgegebene Strukturen in Zellen und Geweben organisiert und damit Leben entsteht. PoL wird im Rahmen der Exzellenzstrategie durch die DFG gefördert und ist eine Kooperation zwischen Wissenschaftlern der TU Dresden und Forschungseinrichtungen des DRESDEN-concept-Verbundes, wie dem Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), dem Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS), dem Leibniz-Institut für Polymerforschung (IPF) und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
www.physics-of-life.tu-dresden.de

Über das cfaed - Center for Advancing Electronics Dresden
Das cfaed ist ein Forschungscluster an der TU Dresden (TUD). Als interdisziplinäres Forschungszentrum für Perspektiven der Elektronik ist es an der TUD als zentrale wissenschaftliche Einheit angesiedelt und integriert Mitglieder von außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Sachsen und Sachsen-Anhalt sowie der TU Chemnitz. Der Cluster widmet sich den Grundlagen zukunftsfähiger Informationstechnologien, die mit der Fortführung der heutigen Silizium-basierten Komponenten nicht möglich wären. Um seine Ziele zu erreichen, verbindet das cfaed den Wissensdurst der Naturwissenschaften mit der Innovationskraft der Ingenieurwissenschaften.
www.cfaed.tu-dresden.de

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Weitere Informationen:

Prof. Benjamin M. Friedrich
Tel.: +49 351 463-42341
E-Mail: benjamin.m.friedrich@tu-dresden.de

Bianka Claus
DFG Exzellenzcluster Physik des Lebens (Physics of Life, PoL), TU Dresden
Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 351 463-40133
E-Mail: bianka.claus@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Center for Advancing Electronics Dresden – cfaed, TU Dresden
Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 351 463-42847
E-Mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de